Autonom Linjerobot. Gruppe 501, efter Elektronik og Elektroteknik Institut for Elektroniske Systemer Aalborg Universitet

Transkript

1 Autonom Linjerobot Gruppe 501, efter ar 2008 Elektronik og Elektroteknik Institut for Elektroniske Systemer Aalborg Universitet

2

3 Elektroniske systemer Fredrik Bajers Vej 7 A Aalborg Ø Tlf Titel: Autonom Linjerobot Tema: Tilbagekoblede realtidssystemer Projektperiode: Efteråret 2008 Projektgruppe: 08gr501 Deltagere: Jacob Buhl Ole Ravn Jakobsen Thomas Ægidiussen Jensen Troels Jessen Henrik Meier Erik Baasch Sørensen Vejleder: Jesper Abildgaard Larsen Oplagstal: 8 Sidetal: 209 Appendiks antal og art: 26 + CD Afsluttet den 19. december 2008 Synopsis: I denne rapport beskrives udviklingen af et autonomt køretøj som skal deltage i RoboCup på DTU i Der er i rapporten primært lagt vægt på de dele af udviklingen, som er de mest relevante i forhold til semesterets mål. Der er således udviklet et preemptivt operativsystem, som på baggrund af en skeduleringsanalyse er sat op til at køre efter round-robin princippet. Ligeledes er der designet PWMstyrede hastigheds- og drejereguleringer, som begge reguleres vha. software, der bearbejder inputs fra analoge sensorer. Drejereguleringen er desuden konstrueret vha. to tilbagekoblingssløjfer, hvor en indre sløjfe styrer vinklen på hjulene, og en ydre styrer køretøjets position ift. linjen. Ud over tre digitale reguleringer, er der også designet en analog regulering, som er brugt ifm. konstruktionen af en switch mode strømforsyning. Ydermere er der gennem en defineret brugergrænseflade oprettet trådløs kommunikation mellem køretøjet og PC, hvor der vha. objektorienteret programmering er udviklet en GUI. Test af køretøjet viser at den opfylder de opstillede krav, dog med enkelte undtagelser. Bl.a. kan den ikke dreje så skarpt som krævet pga. mekaniske begrænsninger, og kan ligeledes ikke køre så stærkt som ønsket mens den følger en linje. Rapportens indhold er frit tilgængeligt, men offentliggørelse (med kildeangivelse) må kun ske efter aftale med forfatterne.

4

5 Elektroniske systemer Fredrik Bajers Vej 7 A Aalborg Ø Tlf Title: Autonomous line robot Theme: Feedback real-time systems Project period: Autumn 2008 Project group: 08gr501 Group members: Jacob Buhl Ole Ravn Jakobsen Thomas Ægidiussen Jensen Troels Jessen Henrik Meier Erik Baasch Sørensen Supervisor: Jesper Abildgaard Larsen Number of copies: 8 Number of pages: 209 Appendices and attachments: 26 + CD Project completed 19th of December 2008 Abstract: This report describes the development of an autonomous line-tracking robot set to participate in the RoboCup competition held at DTU in There has primarily been focused on those parts of the development that are the most relevant with regards to the learning goals of the semester. Thus, there s been designed a pre-emptive operating system, which on the basis of a scheduling analysis, is set to run by the round-robin principle. Furthermore, there s been designed speed and turning regulations controlled by PWM signals. Both the speed and turning regulations are regulated using software that process inputs from analogue sensors. Moreover, the turning regulation has been made using two feedback loops, where the inner loop controls the angle of the wheels, and the outer loop controls the position of the vehicle compared to the line. In addition to these three digital regulations, an analogue regulation has been made. This regulation is used in the development of a switch mode power supply. Furthermore, an interface used to establish connection between the vehicle and a PC has been defined. For this, a GUI has been written using objectoriented programming. A test of the vehicle shows that it meets the requirements, although with a few exceptions. Thus, it can t make turns as sharp as required because of mechanical limitations. Similarly, it can t drive as fast as desired while following a line. The contents of this report is freely available, but publication (with specification of source) may only be done after arrangement with the authors.

6

7 KAPITEL 1 Forord Denne rapport er dokumentationen af et 5. semester projekt, udarbejdet af gruppe 08gr501 på Institut for Elektroniske Systemer ved Aalborg Universitet. Det overordnede tema for projektet er Tilbagekoblede realtidssystemer. Projektgruppen har i forbindelse med dette tema valgt at beskæftige sig med projektforslaget Autonom Linjerobot. Projektet henvender sig hovedsageligt til studerende på 5. semester for elektronik og elektroteknik ved Aalborg Universitet. Rapporten er delt op i seks dele: Analyse, Platform, Moduldesign, Kommunikation, Verificering og Appendiks. I rapporten beskrives et projekt, som omhandler udviklingen af et køretøj, der blandt andet kan følge en linje, passere en nedadgående trappe og detektere en lysende port. Som platform for dette køretøj benyttes en fjernstyret modelbil, hvorpå der er monteret flere sensorer og aktuatorer, der styres af en ARM7-baseret mikroprocessor, der kører et preemptivt operativsystem, som ligeledes er udviklet i projektet. Der benyttes trådløs kommunikation mellem PC og robotten, og der er i den forbindelse udarbejdet en grafisk brugergrænseflade til PC for nem programmering og statusudlæsning fra robotten. I rapporten udvikles ligeledes en switch mode strømforsyning, der kan levere forsyningsspænding til elektronikken på køretøjet, og der designes en analog regulering til denne. Desuden udvikles H-broer, der benyttes til styring af robottens DC-motorer, ligesom motorerne analyseres og modelleres, og der fremstilles en regulering til disse, der konverteres til diskret tid. En tak skal lyde til Jens Dalsgaard Nielsen for lån af basis til operativsystem. Jvf. studieordningen er formålet med 5. semester:[1, s. 19] At kunne analysere et dynamisk system i tidsdomæne (stigtid, indsvingningstid, oversving) og i frekvensdomæne (båndbredde, overkrydsningsfrekvens, fase- og amplitudemargin) At kunne forstå betydningen af poler og nulpunkter At kunne anvende stabilitetskriterier (Routh-Hurwitz, Nyquist) At kunne anvende en (klassisk) regulator At kunne anvende systematiske metoder til analyse og design af et regulerings-system, der opfylder (hårde) realtidskrav At kunne vurdere det opnåede lukket-sløjfe systems egenskaber 7

8 1.1 Læsevejledning 1.1 Læsevejledning Litteraturhenvisninger er skrevet som f.eks. [3] i rapporten og er vist i litteraturlisten som: [3] DTU. RoboCup. Internet, Komponentbetegnelser I hver kapitel indekseres komponenter med tal, f.eks. R 1. Dette vil nulstilles for hvert afsnit, og derved er f.eks. R 1 ikke den samme modstand i to kapitel. Modstande afrundes som udgangspunkt til E24 rækken, da disse umiddelbart er tilgængelige. CD Der er igennem rapporten henvist til diverse datablade, der er vedlagt på den medfølgende CD. Diagrammer over det samlede system samt diverse softwarefiler er ligeledes at finde på CD en. Jacob Buhl Ole Ravn Jakobsen Thomas Ægidiussen Jensen Troels Jessen Henrik Meier Erik Baasch Sørensen 8 1 Forord

9 Indhold 1 Forord Læsevejledning Indledning Autonome robotter RoboCup Initierende problem I Analyse 17 3 Regler 18 4 Banen Forhindringer Prioriteringsliste Yderligere funktionalitet Use Cases 23 6 Kravspecifikation Fysisk udformning Detektering Kørsel Kommunikation Accepttestspecifikation Fysisk udformning Detektering Kørsel Kommunikation II Platform 31 8 Design af køretøj Hastighedssystem Drejesystem Strømforsyning Digitale input/output Kommunikationssystem Afgrænsning Valg af mekanisk platform Valgt bil: Tamiya Rising Storm Valg af MCU AT91SAM7A

10 INDHOLD 11 Skedulering Programmeringsmetoder Procedural O.O Valg af struktur Operativsystem SNOT ARM7 processorkerne Operativsystemets funktioner Opsætning af operativsystem Beskrivelse af tilretninger i operativsystem Konklusion Softwarestruktur Kommunikationsopgave Ruteopgave Hastighedsopgave Linjeopgave Drejeopgave Databeskyttelse III Moduldesign Hastighedsregulering Krav til hastighedsregulering Motorstyring, motor og gear Hastighedssensor Regulering Stabilitet Software Konklusion Drejeregulering Krav til drejeregulering Motorstyring, DC motor Vinkelsensor Drejesløjfe Linjesensor Linjesløjfe Konklusion Batterisensor Design Konklusion Detektion af minusport Software Rutesammensætning Instruktioner Kommunikationsmodul Kontakter og LED Elektronisk design Strømforsyning Krav Design INDHOLD

11 INDHOLD 22.3 Samlet kredsløbsdiagram Test Konklusion IV Kommunikation Grænseflade GUI 116 V Verificering Accepttest Fysisk udformning Detektering Kørsel Kommunikation Konklusion Konklusion Perspektivering Litteratur 126 VI Appendiks i A Udvikling af linjesensor ii A.1 Udregning af lysmodtagelse i linjesensoren ii A.2 Dimensionering af senderkredsløb til linjesensoren v A.3 Dimensionering af modtagerkredsløb til linjesensoren viii B Motorstyring xi B.1 Mosfet xi B.2 Mosfet driver xi B.3 PWM og enable signalerne xi B.4 Termiske overvejelser xii B.5 Endeligt kredsløb xiii C Design af buck-konverter og PWM-generator xv C.1 Buck-konverter xv C.2 PWM-generator xxi D Kinematisk model xxiii E Modellering af DC motor xxvi E.1 Generelt design af DC motor xxvi E.2 Simpel DC motor xxvii E.3 Moment xxviii E.4 Elektromotoriske kræfter xxix E.5 Elektronisk ækvivalentdiagram xxx E.6 Mekanisk model xxxi E.7 Overføringsfunktion for DC motor xxxii F DC motor Mabuchi RS-540SH xxxv G DC motor: Servomotor H Design af kontakter xxxvii xxxix INDHOLD 11

12 INDHOLD I Forbindelser til MCU xli J Målejournal: Vinkelsensor xlii J.1 Formål xlii J.2 Beskrivelse xlii J.3 Apparaturliste xlii J.4 Opstilling xlii J.5 Forsøgsbeskrivelse xlii J.6 Fejlkilder xlii J.7 Resultater xliii K Målejournal: Motorkonstant R a xliv K.1 Formål xliv K.2 Beskrivelse xliv K.3 Apparaturliste xliv K.4 Opstilling xliv K.5 Indstilling xlv K.6 Forsøgsbeskrivelse xlv K.7 Resultater for motor til drejeregulering xlv L Målejournal: Motorkonstant L a xlvi L.1 Formål xlvi L.2 Beskrivelse xlvi L.3 Apparaturliste xlvii L.4 Opstilling xlvii L.5 Indstilling xlvii L.6 Forsøgsbeskrivelse xlvii L.7 Fejlkilder xlvii L.8 Resultater for motor til fremdrift xlviii L.9 Resultater for motor til drejeregulering xlix M Målejournal: Motorkonstant K b l M.1 Formål l M.2 Beskrivelse l M.3 Apparaturliste l M.4 Opstilling li M.5 Indstilling li M.6 Forsøgsbeskrivelse li M.7 Fejlkilder li M.8 Resultater for motor til drejeregulering lii N Målejournal: Inertimoment J liii N.1 Formål liii N.2 Beskrivelse liii N.3 Apparaturliste liii N.4 Opstilling liv N.5 Indstilling liv N.6 Forsøgsbeskrivelse liv N.7 Resultater for motor til fremdrift liv N.8 Resultater for motor til drejeregulering lv O Målejournal: Servo lvi O.1 Formål lvi O.2 Beskrivelse lvi O.3 Apparaturliste lvi O.4 Opstilling lvi O.5 Indstilling lvi O.6 Forsøgsbeskrivelse lvi O.7 Fejlkilder lvii O.8 Resultater lvii 12 INDHOLD

13 INDHOLD P Målejournal: Belastningsmoment τ b lviii P.1 Formål lviii P.2 Beskrivelse lviii P.3 Apparaturliste lviii P.4 Opstilling lviii P.5 Forsøgsbeskrivelse lviii P.6 Fejlkilder lix P.7 Resultater lix Q Målejournal: Lysindhold af minusport lx Q.1 Formål lx Q.2 Apparaturliste lx Q.3 Opstilling lx Q.4 Fejlkilder lx Q.5 Resultater lx R Målejournal: Lysstyrke af minusport lxii R.1 Formål lxii R.2 Apparaturliste lxii R.3 Opstilling lxii R.4 Resultater lxii S Målejournal: Filter Dæmpningsfaktor lxiii S.1 Formål lxiii S.2 Apparaturliste lxiii S.3 Opstilling lxiii S.4 Resultater lxiii T Målejournal: Test af minusportdetektor lxv T.1 Formål lxv T.2 Apparaturliste lxv T.3 Opstilling lxv T.4 Resultater lxv U Målejournal: Lysreflektion fra tape lxvi U.1 Formål lxvi U.2 Beskrivelse lxvi U.3 Apparaturliste lxvi U.4 Opstilling lxvi U.5 Forsøgsbeskrivelse lxvii U.6 Fejlkilder lxvii U.7 Resultater lxvii V Målejournal: Strømforsyning 1 lxix V.1 Formål lxix V.2 Beskrivelse lxix V.3 Apparaturliste lxix V.4 Opstilling lxix V.5 Indstilling lxix V.6 Forsøgsbeskrivelse lxix V.7 Fejlkilder lxix V.8 Resultater lxx W Målejournal: Strømforsyning 2 lxxi W.1 Formål lxxi W.2 Beskrivelse lxxi W.3 Apparaturliste lxxi W.4 Opstilling lxxi W.5 Indstilling lxxi W.6 Forsøgsbeskrivelse lxxi W.7 Fejlkilder lxxi INDHOLD 13

14 INDHOLD W.8 Resultater lxxii X Målejournal: Strømforsyning Virkningsgrad lxxiii X.1 Formål lxxiii X.2 Beskrivelse lxxiii X.3 Apparaturliste lxxiii X.4 Opstilling lxxiii X.5 Indstilling lxxiii X.6 Forsøgsbeskrivelse lxxiii X.7 Fejlkilder lxxiv X.8 Resultater lxxiv Y Målejournal: Opgaveskift lxxv Y.1 Formål lxxv Y.2 Beskrivelse lxxv Y.3 Apparaturliste lxxv Y.4 Opstilling lxxv Y.5 Indstilling lxxv Y.6 Fejlkilder lxxv Y.7 Resultater lxxv Z Målejournal: Accepttest lxxvii Z.1 Formål lxxvii Z.2 Beskrivelse lxxvii Z.3 Opstilling lxxvii Z.4 Resultater lxxix 14 INDHOLD

15 KAPITEL 2 Indledning 2.1 Autonome robotter Robotter bliver i stigende grad en del af vores hverdag. Begrebet autonom betyder selvstyrende eller uafhængig, hvilket vil sige, at autonome robotter er i stand til at udføre predefinerede operationer på egen hånd. Inden for industrien har autonome robotter været brugt i mange år til produktion af diverse produkter. Indenfor de senere år er de også dukket op i private hjem i form af eksempelvis støvsugere, græsslåmaskiner og legetøj. Fordelen ved f.eks. en autonom støvsuger er at den kan spare folk for den tid de normalt skulle bruge på at støvsuge. Dette gør den ideel for eksempelvis allergikere, da den autonome støvsuger kan støvsuge hver dag eller endda flere gange om dagen. Noget som mange mennesker sikkert gerne vil være fri for. Autonome robotter kan således benyttes til at hjælpe med pligter i det daglige. De autonome robotter vi kender til i dag har dog stadig en del begrænsninger, men en gang ud i fremtiden vil robotterne komme til at minde mere om menneskene både i udformning og fleksibilitet. Robotterne vil være opbygget af mange små enheder, som vi kender det fra biologiske organismer. Disse enheder vil kunne kommunikere med hinanden og tilsammen danne fleksible robotter, der vil komme til at minde om den menneskelige krop. Den kunstige intelligens og fleksibilitet vil hen ad vejen komme til at ligne den menneskelige. Robotter vil dog ikke kunne erstatte mennesket, da vi benytter vores begrænsede viden om biologien til at udvikle dem. [2] 2.2 RoboCup RoboCup er en konkurrence, der blev afholdt for første gang i 1997 på Danmarks Tekniske Universitet, DTU, og er siden blevet afholdt hvert år. Alle med en autonom robot kan deltage i konkurrencen, så længe robotten overholder reglerne. Konkurrencen har flere sponsorer fra erhvervslivet, og det er muligt at vinde pengepræmier. I 2008 var der 31 hold tilmeldt konkurrencen, hvoraf 16 hold gik videre til finalen. RoboCup går ud på at autonome robotter skal dyste mod hinanden om at komme hurtigst igennem en bane, der er markeret med en sort linje. Undervejs skal robotterne passere en række forhindringer og alt efter hvordan disse klares, tildeles robotterne point. Den robot med flest point vinder konkurrencen. Banen bliver ændret fra år til år, men de forskellige udfordringer på banen er kendt på forhånd. Banens endelige udformning bliver først offentliggjort ca. 2 måneder før konkurrencen afholdes. 2.3 Initierende problem Denne rapport er udarbejdet med henblik på at designe og konstruere en autonom linjerobot, der skal deltage i RoboCup 2009 på DTU. Robotten skal være autonom og kunne overholde reglerne for RoboCup Dette leder til følgende initierende problem: Hvordan konstrueres et køretøj, der kan deltage og opnå point i RoboCup 2009? 15

16

17 Del I Analyse I denne del af rapporten opstilles en analyse af problemstillingen med henblik på senere at kunne opstille en kravspecifikation. Først beskrives reglerne for deltagelse i RoboCup konkurrencen og derefter analyseres banens udfordringer, herunder banens forhindringer og tilhørende pointsystem. Desuden opstilles en prioriteret liste over, hvilke forhindringer der ønskes gennemført. Denne prioriterede liste opstilles på baggrund af, hvad der vurderes at være realistisk i forhold til projektets tidsramme. Dernæst beskrives, hvilke yderligere funktionaliteter, det ønskes at køretøjet har. Inden krav- og acceptestspecifikation fastlægges, opstilles use cases for at overskueliggøre de involverede aktører og deres muligheder. 17

18 KAPITEL 3 Regler I dette afsnit beskrives de regler i Robocup konkurrencen, som vurderes at være vigtigst i forhold til dette projekt. [3] 1. Køretøjet skal være fuldstændig autonomt. Der må ikke forekomme nogen form for kommunikation mellem køretøjet og omverdenen. Køretøjet må ikke forlade den afmærkede bane. 2. Køretøjet skal nå igennem guillotineporten (kræver en hastighed på mindst 25 cm/s), ellers stoppes kørslen. Hvis køretøjet ikke udviser væstentlige fremskridt inden for en tidsperiode, stoppes kørslen. Hvis et deltagende hold ikke er klar til start, kan dette hold diskvalificeres. 3. Banen og dens omgivelser må ikke ødelægges eller ændres for at lette køretøjets opgaver. Et køretøj må have sensorer, computere, styresystemer, motorer, energikilder og bremser. Køretøjet må dog ikke have en forbrændingsmotor og må ikke udgøre fare for publikum. 4. Der gives point til køretøjet efter, hvordan det klarer de forskellige forhindringer. Der gives ét point for kørsel gennem en port. Der kan ikke opnås mere end ét point per port. En korrekt gennemkørsel af en port indbefatter, at hele køretøjet er min. 1 cm på den anden side af porten. Kørslen stoppes, når køretøjet kommer i mål, eller når dommeren eller holdlederen siger stop. Opnås det samme antal point for to eller flere hold, vil der blive kørt en omkørsel mellem disse hold. Er der forsat pointlighed, er det gennemkørselstiden der er afgørende. 5. Banen vil blive afspærret to timer før konkurrencen. I disse to timer kan porte og forgreninger blive flyttet, og derfor vil en eksakt indkodning af banen ikke være mulig. 6. Et køretøj må ikke indeholde genstande eller software, som kan genfindes på andre køretøjer, der deltager i konkurrencen. En person må ikke deltage på to hold. 18

19 KAPITEL 4 Banen Da banen for Robocup 2009 først offentliggøres efter projektets afslutning, tages der udgangspunkt i banen fra [4] Banen samt de enkelte forhindringer beskrives i dette afsnit. Da der er en begrænset tidsramme for projektet, opstilles en prioriteringsliste over forhindringerne, som benyttes i designfasen. De højest prioriterede forhindringer implementeres først i køretøjet. 4.1 Forhindringer I dette afsnit beskrives de forskellige forhindringer på banen fra 2008, som vises i figur 4.1. Først beskrives banen og forhindringerne generelt, og derefter beskrives forhindringerne enkeltvist Forhindringerne og banen generelt Banens gulv består af to forskellige belægninger: En lysegrå glasfiberbelægning, markeret med hvidt på figur 4.1, samt områder med lidt mørkere klinker markeret med gråt. De grå områder er lagt i linjer med en bredde på 45 cm. Den sorte linje robotten skal følge, er lavet af en 38 mm sort lærredstape af typen Tesa Ingen af de sving som den sorte tape laver, er skarpere end omkredsen af en cirkel med radius 50 cm. På banen er der en række porte, som alle er mindst 43 cm brede og mindst 47 cm høje. Der vil være forgreninger i linjen, samt krydsende linjer. Ved visse af disse kryds vil det være fordelagtigt at vælge en af sidevejene Forhindringerne enkeltvist På figur 4.1 ses en oversigt over banen fra På figuren har hver forhindring fået tildelt et nummer. Forhindringerne beskrives i denne rækkefølge. Guillotineport (1): Denne forhindring skal passeres som den første. For at passere den inden den lukkes, kræves en hastighed på min. 25 cm/s. Der gives ét point ved passage. Rampe A (2): Rampe A er 60 cm bred og har en hældning på maks. 8,93. Rampen leder op til et plateau. Der er placeret en port inden plateauet, som giver ét point ved passage. Efter opkørsel af rampen er der en forgrening i tape-linjen, hvor den ene vej fortsætter ligeud, mens den anden fører ud til en vippe. Vippen (3): Vippen er som standard i vandret position, hvor den forbliver, da den er understøttet af rampe A. Ved kørsel fra rampe til vippe, er der en højdeforskel på 6 cm. Umiddelbart efter vippen findes en port, der giver ét point. Golfbolde (4 & 5) + hul (6): På banen findes to golfbolde der er placeret på henholdsvis punkt 4 og 5 på figur 4.1. Disse golfbolde er placeret ovenpå en lille metalring for at sikre ensartet placering. Golfboldene skal placeres i hullet (punkt 6 på figuren). Alle golfboldene har en diameter på 42,7 mm og har farven signalrød. Hullet er ikke markeret med nogle kendetegn og har en diameter på 52 mm. Der gives ét point for hver golfbold der placeres i hullet. 19

20 4.1 Forhindringer Figur 4.1: Robocup-banen fra 2008 med nummererede forhindringer.[4] Nedkørsel af plateau 1 (rampe): Der er to mulige nedkørsler fra plateauet. Som det ses på figur 4.1 er der en forgrening i tape-linjen mod slutningen af plateauet. Den ene vej fører ned mod en rampe, som har en hældning på 15,36 og som er 60 cm bred. Rampen har desuden monteret en enkelt gul port, som giver ét point ved passage. Nedkørsel af plateau 2 (trappe): Den anden nedkørsel fra plateauet fører mod en trappe, som består af fire trin, som hvert er 40 cm langt og 60 cm bredt. Højdeforskellen mellem trinnene er 11 cm. Trappen har monteret to gule porte, som hver giver et point ved passage. Golfbold (7): På et af de seks markerede punkter (vælges af arrangørerne tilfældigt for hver gennemkørsel) er placeret en golfbold. Denne golfbold skal medbringes til mål, hvorved ét point opnås. Minusport (8): Denne består af to gule porte, hver med tre påmonterede røde stoplys-lister (varenr fra thansen). På den ene af disse porte (tilfældigt valgt for hver gennemkørsel) vil lys-markeringen blinke ca. en gang pr. sekund. Denne port skal ikke passeres, da dette vil give et minuspoint. Pga. strømforsyning til portene anbefales det at køre venstre om denne port. Passage af porten med slukket lys-markering giver et point. De to porte er placeret med en indbyrdes afstand på ca. en meter. Racerbane (9) + point-port (10): Der startes her ved at en lysstråle (placeret 2,5 cm over gulvniveau) brydes i startporten. Herefter påbegyndes en tidtagning, som stopper, når en lysstråle i slutporten brydes. Herimellem er placeret en gul point-port, som giver ét point ved passage. Desuden gives der nul, ét, to eller tre hastighedspoint. Tiderne for at opnå disse point er ikke fastlagt, udover at det oplyses, at det kræver en hastighed på over 1 m/s at opnå maks. point på forhindringen Banen

21 4.2 Prioriteringsliste Tunnel (11): Tunnellen er 60 cm lang. I begge ender er påmonteret udadgående døre (begge med en højde på 25 cm og en frihøjde på 1 cm), hvor den første dør er bredere end selve tunnellen, således at den kan åbnes ved at køretøjet skubber døren åben fra siden af tunnellen. Der gives et point for passage af hver af dørene. En illustration af tunnelen ses på figur 4.2. Figur 4.2: Illustration af tunnellen set oppefra, fra siden og forfra. [5] Keglebane (12) + forbudt område (13): Denne forhindring består af ni kegler, samt to gule porte og en rød port. Desuden er der et forbudt område, markeret med hvidt tape, som køretøjet ikke må køre ind over. Forhindringen startes ved at passere den første gule port, hvilket giver ét point. Dernæst køres udenom keglerne, før der afsluttes med at køre gennem den anden gule port, som igen giver ét point. Den røde port, placeret imellem de to gule giver ét minuspoint ved passage. Det giver ligeledes ét minuspoint at køre ind over det forbudte område. Hvis køretøjet får bare et enkelt hjul indenfor området tildeles ét minuspoint. Sirene, mål (14): Banen afsluttes ved at aktivere sirenen. Dette sker ved at køretøjet trykker på frontpladen, som derved aktiverer en kontakt. Frontpladen har en bredde på 15 cm og en højde på 10 cm. Der tildeles to point for at komme i mål. Det kræves, at forhindring nr. 1, guillotinen, gennemføres først og at forhindring nr. 14, sirenen, gennemføres sidst. Derudover kan forhindringerne gennemføres i tilfældig rækkefølge. Ud fra gennemgangen af forhindringerne opstilles en prioriteret liste over hvilke forhindringer det ønskes at gennemføre. 4.2 Prioriteringsliste Det vælges at opstille en prioteringsliste over hvilke forhindringer, der ønskes gennemført. Listen opdeles i tre afsnit: Et afsnit over forhindringer der skal kunne gennemføres, et afsnit over forhindringer der ønskes gennemført hvis muligt, samt en liste over forhindringer, der ikke forventes gennemført. Det forventes, at de generelle baneforhindringer, såsom det at følge linjen og passere portene, kan udføres. Forhindringer der bør gennemføres 1. Guillotineport (1) 2. Sirene, mål (14) Forhindringer der ønskes gennemført hvis muligt 3. Rampe A (2) 4. Nedkørsel af plateau 1 (rampe) 5. Racerbane (9) + point-port (10) 4 Banen 21

22 4.3 Yderligere funktionalitet 6. Keglebane (12) + forbudt område (13) 7. Minus-port (8) 8. Nedkørsel af plateau 2 (trappe) 9. Tunnel (11) 10. Vippen (3) Forhindringer der ikke forventes gennemført 7. Golfbold (7) 8. Golfbolde (4 & 5) + hul (6) På trods af, at det ikke forventes at gennemføre alle forhindringer, tilstræbes det alligevel at gennemføre så mange som muligt. Derfor vil alle de beskrevne forhindringer have indflydelse på udarbejdelsen af kravspecifikationen. 4.3 Yderligere funktionalitet For at lette design, test og debugging af systemet, ønskes det at kunne kommunikere med køretøjet. Det vurderes at en trådløs kommunikation mellem køretøjet og en PC vil være at foretrække over en kablet linje, da det ikke vil være praktisk, at køretøjet skal slæbe et kabel efter sig under test. Da det ikke er tilladt ved RoboCup at kommunikere med køretøjet under kørsel, skal kommunikationsmodulet dog kunne frakobles inden kørsel uden at det får betydning for resten af systemet. På baggrund af den ønskede funktionalitet, opstilles use cases for at overskueliggøre, hvilke aktører der er involveret i projektet, samt deres muligheder Banen

23 KAPITEL 5 Use Cases For at give et overblik over systemet og bedre opstille kravene til det, opstilles i det følgende kapitel en række use cases. På den måde er det muligt at identificere, hvilke aktører der interagerer med systemet i en given situation. Use casene deles ind i tre grupper: Primære vist på figur 5.1, sekundære vist på figur 5.2 og tertiære vist på figur 5.3. De primære use cases er de use cases, der skal implementeres for at køretøjet er i stand til at udføre de mest basale opgaver og rutiner. De sekundære og tertiære use cases beskriver forhindringer, hvor det vurderes muligt at implementere de sekundære indenfor projektets rammer. Disse use cases kræver, at alle de primære use cases er implementerede. Primære use cases Kør Linje Bruger Hastighedssensor Kør Rute Log Data Følg Linje Hastighedsregulering PC Linjesensor Vælg Rute Drej Mikrocomputer Vinkelsensor Drejeregulering Figur 5.1: Primære use cases med tilhørende aktører. Use case: Kør. Aktører: Hastighedssensor, Bruger, Mikrocomputer, Hastighedsregulering. Type: Primær. Beskrivelse: Det ønskes, enten direkte fra brugeren eller fra mikrocomputeren, at køretøjet skal køre med en bestemt hastighed. Hastighedssensoren bestemmer køretøjets nuværende hastighed og mikrocomputeren afgør, om den ønskede hastighed stemmer overens med aktuelle og regulerer denne via hastighedsreguleringen, hvis det ikke er tilfældet. Herunder dækkes både fremadkørsel og bagudkørsel. Use case: Drej. Aktører: Vinkelsensor, Bruger, Mikrocomputer, Drejeregulering. Type: Primær. Beskrivelse: Det ønskes, enten direkte fra brugeren eller fra mikrocomputeren, at køretøjet skal dreje med en bestem drejeradius. Mikrocomputeren bestemmer via vinkelsensoren, hvad køretøjets nuværende drejeradius er og sammenligner den med den ønskede. Er disse ikke identiske, korrigeres drejeradius ved hjælp af drejereguleringen. 23

24 Use case: Log data. Aktører: Mikrocomputer. Type: Primær. Beskrivelse: Systemstatus for køretøjet gemmes løbende i en fil på PC. Use case: Følg linje. Aktører: Mikrocomputer, linje, linjesensor. Type: Primær. Beskrivelse: En sort linje på et lyst underlag markerer en rute. Køretøjet følger den sorte linje og korrektioner, for at fastholde den rette kurs, foretages af mikrocomputeren via input fra linjesensoren. Skifter underlaget til en mørkere nuance forvirres mikrocomputeren ikke af dette og køretøjet fastholder den korrekte kurs. Use case: Vælg rute. Aktører: Mikrocomputer, linjesensor. Type: Primær. Beskrivelse: Når køretøjet detekterer en forgrening på banen, afgør mikrocomputeren, hvilken rute køretøjet skal vælge. Use case: Kør rute. Aktører: Bruger, mikrocomputer. Type: Primær. Beskrivelse: Brugeren bestemmer en rute, som køretøjet skal følge. Ruten videregives til køretøjet via trådløs kommunikation. Når ruten afvikles, sørger mikrocomputeren for, at køretøjet følger den rigtige rute. Sekundære use cases Forhindring: Minusport Minusport Minusportdetektor Racerbane Forhindring: Racerbane Tunnel Mikrocomputer Forhindring: Tunnel Vippe Forhindring: Vippe Figur 5.2: Sekundære use cases med tilhørende aktører. Use case: Racerbane. Aktører: Mikrocomputer, Forhindring: Racerbane. Type: Sekundær. Beskrivelse: Når køretøjet kører gennem porten, der markerer starten på racerbanen skal køretøjet sætte farten op til minimum 1 m/s. Denne hastighed skal bibeholdes indtil porten, der markerer racerbanens slutning, er gennemkørt. Use case: Vippe. Aktører: Mikrocomputer, Forhindring: Vippe. Type: Sekundær. Beskrivelse: Når køretøjet kører ud på vippen, tilpasses køretøjets hastighed, så vippen roligt skifter position. Når vippen har skiftet position gennemkøres den tilhørende port Use Cases

25 Use case: Minusport. Aktører: Forhindring: Minusport, Mikrocomputer, Minusportdetektor. Type: Tertiær. Beskrivelse: Når køretøjet står foran forhindringen afgør mikrocomputeren om, det er den første eller den anden port der skal køres udenom. Use case: Tunnel. Aktører: Mikrocomputer, Forhindring: Tunnel. Type: Tertiær. Beskrivelse: Når køretøjet når et bestemt punkt på banen dirigerer mikrocomputeren køretøjet således at porten på forhindringen åbnes. Herefter køres gennem forhindringen. Tærtiere use cases Opsamle golfbold Mikrocomputer Bolddetektor Slip golfbold Boldopsamler Figur 5.3: Tærtiere use cases med tilhørende aktører. Use case: Opsamle golfbold. Aktører: Mikrocomputer, bolddetektor, boldopsamler. Type: Tertiær. Beskrivelse: Når mikrocomputeren finder en golfbold, dirigeres køretøjet derhen. Når køretøjet er i position, samles golfbolden op. Use case: Slip golfbold. Aktører: Mikrocomputer, boldopsamler. Type: Tertiær. Beskrivelse: Har køretøjet samlet en golfbold op på rampen, dirigerer mikrocomputeren køretøjet hen til det sted hvor golfbolden skal afleveres. Når køretøjet er i position, slippes golfbolden. Efter aktører og use cases er identificerede, kan kravspecifikationen opstilles. 5 Use Cases 25

26 KAPITEL 6 Kravspecifikation Det ønskes at stille op i RoboCup 2009 på DTU, hvorfor denne konkurrences regler skal overholdes. Derfor er kravene til linjeroboten opsat med udgangspunkt i de gældende regler for konkurrencen, samt de forskellige forhindringer som beskrevet i kapitel 3, Regler og 4, Banen i analysen. Da banen blev gennemført af et køretøj i 2008 med maks. point, vil der være ændringer, der øger sværhedsgraden af banen i RoboCup 2009.[5] Det antages dog, at de generelle data for banen er identiske, såsom boldfarve, banestørrelse, portstørrelse osv. Kravene til køretøjet i dette projekt er dog skærpet lidt, da kravene fra DTU er det, der som minimum kræves for at gennemføre forhindringerne. Ved at skærpe kravene til køretøjet opnås således en margin, der gør det mere sandsynligt, at køretøjet vil være i stand til at gennemføre forhindringerne. I tilfælde af at kravene er korrigerede i forhold til DTU s regler, vil DTU s oprindelige krav fremstå i kursiv under de opstillede krav. 6.1 Fysisk udformning Der opstilles her krav til den fysiske udformning af køretøjet. 1.1 Bredden og højden af køretøjet må maksimalt være henholdsvis 30 cm og 40 cm. DTU: Bredden og højden af køretøjet må maksimalt være henholdsvis 35 cm og 45 cm. 1.2 Den skal kunne opsamle og placere et rundt objekt på 42,7 mm. 1.3 Den skal kunne køre ned af en trappe med fem niveauspring på hver 12 cm og trinlængde på 35 cm. DTU: Den skal kunne køre ned af en trappe med fem niveauspring på hver 11 cm og trinlængde på 40 cm. 6.2 Detektering I dette afsnit opstilles kravene til køretøjets evne til at detektere forskellige objekter og derefter udføre handlinger på disse detekteringer. 2.1 Den skal kunne detektere et rundt objekt på 42,7 mm med farven signalrød. 2.2 Den skal kunne detektere et rundt hul med en diameter på ned til 45 mm i en træplade, imens den kører med en golfbold. DTU: Den skal kunne detektere et rundt hul med en diameter på 52 mm i en træplade, imens den kører med en golfbold. 2.3 Den skal kunne detektere en port, hvor rødt lys er monteret på siderne og på toppen. Lyset vil blinke med en frekvens på ca. 1 Hz. (tændt 0,5 s og slukket 0,5 s). Disse lys er varenr fra firmaet T. Hansen Gruppen A/S. [5] 2.4 Den skal kunne detektere en 38 mm bred sort lærredstape (type Tesa-4651). Lærredstapen skal kunne detekteres således at udsving på 5 cm til begge sider fra midten af tapen kan forekomme uden at køretøjet mister orienteringen. 2.5 Den skal kunne detektere forgreninger i den sorte lærredstape. 26

27 6.3 Kørsel 6.3 Kørsel Der opstilles i dette afsnit krav til køretøjets evner i forbindelse med kørsel, dvs. dets evner til at svinge, regulere hastighed og køre op ad stigninger osv. 3.1 Den skal kunne køre med en hastighed på min. 2 m/s mens en linje følges. DTU: Guillotinen kræver en hastighed på min. 25 cm/s, mens det kræver en hastighed over 1 m/s at opnå maksimumpoint ved racerbanen. 3.2 Hastigheden skal kunne reguleres med en præcision på min. 0,05 m/s for hastigheder under 1 m/s og på min. 0,15 m/s for hastigheder over 1 m/s. 3.3 Den skal kunne køre op og ned af en stigning på op til 20. DTU: Den skal kunne køre op og ned af en stigning på 15, Den skal kunne klare kurver svarende til en cirkel med radius 45 cm med en maksimal afvigelse på 5%. DTU: Den skal kunne klare sving svarende til en cirkel med radius 50 cm. 3.5 Kørslen skal kunne startes på køretøjet og fra PC. 3.6 Den skal stoppe med fremadgående kørsel indenfor 1 sekund ved direkte påkørsel af en stationær genstand. 3.7 Den skal kunne bakke med en hastighed min. 0,2 m/s. 3.8 Den skal kunne køre en angivet afstand med en afvigelse på maksimalt 2%. 3.9 Den må ikke afvige mere end 2 i drejevinkel i forhold til en angivet drejevinkel. 6.4 Kommunikation Der opstilles i det følgende krav til kommunikation mellem køretøj og PC. 4.1 Der skal kunne kommunikeres trådløst med køretøjet. Køretøjet skal være i stand til selvstændigt at sende beskeder om bl.a. hastighed og drejevinkel på køretøjet til PC. 4.2 Ved kommunikation mellem køretøj og PC, skal et program på PC kunne logge informationer om køretøjets status, herunder: (a) Batteristatus. (b) Status på linjesensor samt afstand til linje. (c) Forhindringen der afvikles. (d) Hastighed. (e) Drejeradius/vinkel. (f) Kontakter. (g) Programstatus. 4.3 Køretøjet skal være i stand til at sende dens statusinformationer til en PC med en frekvens på min. 2 Hz. 4.4 Det trådløse kommunikationsmodul på køretøjet skal kunne afmonteres uden betydning for det resterende system. 4.5 Det skal være muligt at kommunikere med køretøjet inden for en rækkevidde på min. 8 meter i frit rum. Med kravene fastlagte, kan der nu udarbejdes en specifikation til den endelige accepttest af køretøjet. 6 Kravspecifikation 27

28 KAPITEL 7 Accepttestspecifikation Der udarbejdes i dette afsnit en accepttestspecifikation til test af om køretøjet overholder de opstillede krav. Først nævnes kravene og herefter opstilles fremgangsmåden af verificeringen af køretøjets evne til at overholde dette krav. Fremgangsmåden opstilles på punktform. 7.1 Fysisk udformning 1.1 Bredden og højden af køretøjet må maksimalt være henholdsvis 30 cm og 40 cm. Køretøjet måles på dets højeste og bredeste sted. 1.2 Den skal kunne opsamle og placere et rundt objekt på 42,7 mm. Der placeres et objekt på gulvplan, hvorefter det observeres om køretøjet er i stand til at samle objektet op. 1.3 Den skal kunne køre ned af en trappe med fem niveauspring på hver 12 cm og trinlængde på 35 cm. Der opbygges en trappe som beskrevet i analysen, og køretøjet indstilles til at køre ned af denne. 7.2 Detektering 2.1 Den skal kunne detektere et rundt objekt på 42,7 mm med farven signalrød. Der placeres et objekt som beskrevet et vilkårligt sted, og det undersøges vha. debugging software om køretøjet kan detektere dette. 2.2 Den skal kunne detektere et rundt hul med en diameter på ned til 45 mm i en træplade, imens den kører med en golfbold. Køretøjet sættes 1 meter fra hullet og indstilles til at søge efter hullet. 2.3 Den skal kunne detektere en port, hvor rødt lys er monteret på siderne og på toppen. Lyset vil blinke med en frekvens på ca. 1 Hz. (tændt 0,5 s og slukket 0,5 s). Disse lys er varenr fra firmaet T. Hansen Gruppen A/S. [5] Der opstilles en port som beskrevet, og det undersøges ved hjælp af debug faciliteter, om køretøjet kan detektere om lyset i porten er tændt. 2.4 Den skal kunne detektere en 38 mm bred sort lærredstape (type Tesa-4651). Lærredstapen skal kunne detekteres således at udsving på 5 cm til begge sider fra midten af tapen kan forekomme uden at køretøjet mister orienteringen. Der opstilles en bane med tapen af typen beskrevet ovenfor, og det testes om køretøjet kan følge denne linje. Køretøjet flyttes desuden manuelt 5 cm til hver side af tapen, hvorved det testes om køretøjet automatisk søger tilbage mod midten af linjen. 2.5 Den skal kunne detektere forgreninger i den sorte lærredstape. Der laves en forgrening midt på en linje med længden 1 meter, og det observeres med debugging faciliteter om køretøjet vælger den rute der er angivet i softwaren. 28

29 7.3 Kørsel 7.3 Kørsel 3.1 Den skal kunne køre med en hastighed på min. 2 m/s mens en linje følges. Der konstrueres en linje af lærredstape på 6 meter, og køretøjet sættes til at køre ad denne. Det måles ved hjælp af stopur hvor lang tid det tager at køre de sidste 5 m af linjen, hvor det antages at køretøjet kører med den ønskede hastighed. Derefter udregnes hastigheden ud fra tiden. 3.2 Hastigheden skal kunne reguleres med en præcision på min. 0,05 m/s for hastigheder under 1 m/s og på min. 0,15 m/s for hastigheder over 1 m/s. Køretøjet sættes først til at køre under 0,9 m/s ad en lige strækning på 6 m, hvorefter hastigheden måles på PC. Det aflæses herefter vha. logdata fra PC om køretøjet har overholdt hastighedspræcisionen. Køretøjet sættes nu til at køre 1,5 m/s, og proceduren gentages. 3.3 Den skal kunne køre op og ned af en stigning på op til 20. Der skal ved denne test være konstrueret en rampe med en stigning på 20. Køretøjet sættes til at køre op hhv. ned af rampen. Køretøjets hastighed skal stabilisere sig efter 1 sekund. 3.4 Den skal kunne klare kurver svarende til en cirkel med radius 45 cm med en maksimal afvigelse på 5%. Der skal til formålet skabes et sving af lærredstape med radius på 45 cm. Køretøjet igangsættes ved starten af svinget på lærredstapen, og det observeres om den holder sig til linjen samtidig med at svinget tages. 3.5 Kørslen skal kunne startes på køretøjet og fra PC. Køretøjet igangsættes ved tryk på startknappen på selve køretøjet, og det observeres om den er i stand til at starte. Derefter forsøges det, ved hjælp af et designet stykke software, at starte og derefter standse køretøjet fra PC. 3.6 Den skal stoppe med fremadgående kørsel indenfor 1 sekund ved direkte påkørsel af en stationær genstand. Der oprettes kommunikation mellem PC og køretøjet. Køretøjet placeres 2 m fra en mur, og sættes til at køre ligeud mod denne ved en hastighed på 0,5 m/s. Det observeres herefter, vha. logdata fra PC, hvor lang tid der går fra igangsætningen af køretøjet, til at motoren er standset. Det udregnes nu hvor lang tid efter kollisionen, at motoren er standset. 3.7 Den skal kunne bakke med en hastighed min. 0,2 m/s. Køretøjet sættes til at bakke, hvorefter hastigheden måles vha. PC. 3.8 Den skal kunne køre en angivet afstand med en afvigelse på maksimalt 2%. Køretøjet sættes til at køre 6 m. Afstanden noteres for hver meter. 3.9 Den må ikke afvige mere end 2 i drejevinkel i forhold til en angivet drejevinkel. Der markeres en cirkel med den ønskede drejeradius og destinationspunkt. Køretøjet sættes til at køre med den ønskede drejeradius og den aktuelle drejeradius noteres. Se figur 7.1. Testen foretages for både højre- og venstresving. 7 Accepttestspecifikation 29

30 7.4 Kommunikation F E D C B A Figur 7.1: Testopstilling for krav (E) er den ønskede destination med den ønskede drejeradius (B). (F) er destinationen med den for store drejeradius (C). (D) er destinationen med den for lille drejeradius (A). Buelængderne (F),(E) og (D) er ens. 7.4 Kommunikation 4.1 Der skal kunne kommunikeres trådløst med køretøjet. Køretøjet skal være i stand til selvstændigt at sende beskeder om bl.a. hastighed og drejevinkel på køretøjet til PC. Der oprettes kommunikation mellem køretøjet og PC. Herefter sættes køretøjet til at køre en konstrueret rute. Det observeres, om der på PC kan registreres informationer om hastighedsændring, styretøjets vinkel mm. Logdata fra denne test gemmes til punkt 4.2 samt Ved kommunikation mellem køretøj og PC, skal et program på PC kunne logge informationer om køretøjets status, herunder: (a) Batteristatus. (b) Status på linjesensor samt afstand til linje. (c) Forhindringen der afvikles. (d) Hastighed. (e) Drejeradius/vinkel. (f) Kontakter. (g) Programstatus. Køretøjets status testes ved at observere GUI. 4.3 Køretøjet skal være i stand til at sende dens statusinformationer til en PC med en frekvens på min. 2 Hz. Det observeres i logdata fra punkt 4.1, hvilket tidsinterval dataene er sendt med og derved udregnes frekvensen. 4.4 Det trådløse kommunikationsmodul på køretøjet skal kunne afmonteres uden betydning for det resterende system. Kommunikationsmodulet afmonteres fra køretøjet, mens dette er slukket. Herefter startes køretøjet med at køre ad en konstrueret rute og det observeres om den stadig er i stand til at følge ruten. 4.5 Det skal være muligt at kommunikere med køretøjet inden for en rækkevidde på min. 8 meter i frit rum. PC og køretøjet placeres 8 meter fra hinanden, og det observeres om det er muligt at skabe forbindelse Accepttestspecifikation